CN103842111B - 具有改进的内含物可检测性的铸模组合物及铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种包含铝酸钙和X‑射线或中子‑射线可检测元素的含钛制品铸模组合物。此外，本发明的实施方案教导一种用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法，所述方法包括：将铝酸钙、比铝酸钙更加射线照相致密的元素和液体组合，以形成浆料；由所述浆料形成具有铝酸钙和射线照相致密元素的模具；将含铝化钛的金属引入到携带射线照相致密元素的模具中；固化所述含铝化钛的金属，以在模具中形成制品；从所述模具除去固化的含铝化钛的金属制品；使固化的含铝化钛的制品经受射线照相检查，以提供射线照片；和对所述射线照片检查在制品上或在制品中射线照相致密元素的存在。

Description

具有改进的内含物可检测性的铸模组合物及铸造方法
背景
总的来说，本公开涉及铸模组合物和铸造钛和钛合金的方法。
现代燃气轮机(尤其是飞行器发动机)必须满足关于可靠性、重量、功率、经济性和操作使用寿命的最高要求。在开发飞行器发动机中，其中，材料选择、新的合适材料的探寻以及新的生产方法的研究在满足标准和满足需求中起到重要的作用。
用于飞行器发动机或其它燃气轮机的材料包括钛合金、镍合金(也称为超合金)和高强度钢。钛合金通常用于压缩机零件，镍合金适用于飞行器发动机的热零件，而高强度钢用于例如压缩机外壳和涡轮机外壳。高度负载或受应力的燃气轮机部件(例如用于压缩机的部件)例如为锻造零件。另一方面，用于涡轮机的部件通常按熔模铸造零件制造。
虽然熔模铸造不是新的过程，但由于对更加精细和复杂的零件的要求增长，熔模铸造市场持续增长。由于对高品质、精密铸件的巨大需求，持续需要开发新的方式来更加快速、有效、廉价和更高品质地制备熔模铸件。
用于铸造珠宝和牙齿修补行业的由熔融二氧化硅、方英石、石膏等组成的常规的熔模铸造模具混合物不适合铸造反应性合金，例如钛合金。一个原因是模具钛和熔模铸造模具之间的反应。由于钛对元素(如氧、氮和碳)的高亲和力，难以在陶瓷模具中熔模铸造钛和钛合金和类似的反应性金属。在升高的温度下，钛及其合金可与模具表面涂层反应。
如果在熔融合金和模具之间发生任何反应，最终铸件的性质受到极大劣化。该劣化的形式可包括由气泡造成的差的表面修饰，或者在更严重的情况下，使铸件的化学性质、微观结构和性质受损。在铸造合金部件表面上的粗糙度和/或凹陷在例如涡轮机叶片应用中可降低空气动力学性能，并且在旋转或往复零件应用中增加磨损和摩擦。因此，本领域需要新的、实用的和有用的铸模组合物和检测反应性合金(例如钛合金)中的内含物的方法。
概述
本公开的各方面提供克服本领域目前限制的铸模组合物、铸造方法和铸造制品。本公开的一些方面可涉及制造用于航空航天工业的部件，例如，发动机涡轮机叶片。其它方面可用于制造任何行业中的部件，特别是，含有钛和/或钛合金的那些部件。
本公开的一方面为一种用于铸造含钛制品的模具组合物，所述组合物包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和X-射线或中子-射线可检测的元素。本公开的另一方面为一种含钛制品铸模组合物，所述组合物包含：铝酸钙；和X-射线或中子-射线可检测的元素。在一种实施方案中，当模具组合物形成模具时，铝酸钙水泥形成小于约100微米的固有的表面涂层。在一种实施方案中，将X-射线或中子-射线可检测的元素在模具内混合。在另一实施方案中，使X-射线或中子-射线可检测的元素在模具内混合并且成为固有的表面涂层的一部分。在一种实施方案中，模具组合物不具有外来的表面涂层。
在一种实施方案中，模具组合物还包含氧化物颗粒。氧化物颗粒可包含氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒和氧化钛颗粒中的至少之一。此外，在一些情况下，氧化物颗粒包含空心氧化物颗粒，例如，空心氧化物颗粒包含空心氧化铝颗粒。在一个具体的实施方案中，氧化物颗粒为氧化铝颗粒。
在另一实施方案中，X-射线或中子-射线可检测的元素包含镱、铪、钆、钨、钍、铀、钇、镝、铒、铈和它们的组合物。在模具组合物中，X-射线或中子-射线可检测的元素可为约1-约4重量%。射线照相致密（radiographically dense）元素可比氧化物颗粒更加射线照相致密。在一种实施方案中，射线照相致密元素比铝酸钙更加射线照相致密，并且包含以下一个或多个：镱、铪、钆、钨、钍、铀、钇、镝、铒、铈和它们的组合物。
本公开的一方面为一种用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法，所述方法包括：将铝酸钙、至少一种比铝酸钙更加射线照相致密的元素和液体组合，以形成浆料；由所述浆料形成具有铝酸钙和射线照相致密元素的模具；将含铝化钛的金属引入到携带射线照相致密元素的模具中；固化所述含铝化钛的金属，以在模具中形成制品；从所述模具除去固化的含铝化钛的金属制品；使固化的含铝化钛的制品经受射线照相检查，以提供射线照片；和对所述射线照片检查在制品上或在制品中射线照相致密元素的存在。
在一种实施方案中，所述方法还包括从制品除去射线照相致密元素。从制品除去射线照相致密元素可包括机械加工、研磨、抛光或焊接中的一个或多个步骤。组合步骤还可包括将氧化物颗粒与所述浆料组合。在一种实施方案中，氧化物颗粒包含空心氧化物颗粒，例如，空心氧化铝颗粒。
在一种实施方案中，所述方法包括在含铝化钛的铸造制品中使模具材料内含物的存在最小化。含钛的铸造制品可包含发动机或涡轮机或涡轮机的部件。例如，含钛的铸造制品包含涡轮机叶片。含钛的铸造制品可为含有铝化钛的发动机、含有铝化钛的涡轮机或含有铝化钛的涡轮机叶片。
本公开的一方面为一种模具组合物，所述组合物包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和至少一种比铝酸钙水泥更加射线照相致密的元素。本公开的另一方面为一种模具组合物，所述组合物包含铝酸钙和至少一种比铝酸钙更加射线照相致密的元素。在一种实施方案中，模具组合物还包含氧化物颗粒。在一个相关的实施方案中，射线照相致密元素比所述氧化物颗粒更加射线照相致密。
本公开的另一方面为一种用于铸造含钛制品的模具组合物，所述组合物包含：铝酸钙；和X-射线或中子-射线可检测的元素。例如，本公开的一方面可独特地适于提供用于模具的模具组合物，所述模具用于铸造含钛和/或含钛合金的制品或部件，例如，含钛涡轮机叶片。
结合附图，由本公开的各方面的以下详细说明，本公开的这些和其它方面、特征和优点将变得显而易见。
附图简述
特别指出认为是发明的主题，并且在本说明书的结尾在权利要求中清楚地要求保护。结合附图，由本公开的方面的以下详细说明，将容易理解本公开的前述和其它特征和优点，其中：
图1为描述x轴上的氧化铝百分比和y轴上的温度的图，显示铝酸钙水泥的各种氧化钙-氧化铝组合物范围，并且显示对于根据公开的实施方案的组合物，特定的氧化铝百分比和温度范围。
图2a和2b显示在高温燃烧后模具微观结构的一个实例。显示在1000℃下燃烧的模具的横截面的反向散射扫描电子显微镜图像，其中图2a指出存在氧化铝颗粒，图2b指出铝酸钙水泥。
图3a和图3b显示在高温燃烧后模具微观结构的一个实例。显示在1000℃下燃烧的模具的横截面的反向散射扫描电子显微镜图像，其中图3a指出铝酸钙水泥和存在的微尺度氧化铝颗粒，图3b指出氧化铝颗粒。
图4a和图4b显示在高温燃烧后模具微观结构的一个实例。显示在1000℃下燃烧的模具的横截面的反向散射扫描电子显微镜图像，其中图4a指出大尺度氧化铝颗粒，图4b指出单铝酸钙颗粒。
图5显示在高温燃烧后模具微观结构的一个实例，显示氧化铝和单铝酸钙，其中单铝酸钙与氧化铝反应，以形成二铝酸钙，并且其中在一个实例中将模具燃烧，以使钙铝石含量最小化。
图6显示在高温燃烧后模具微观结构的一个实例，显示氧化铝和单铝酸钙，其中单铝酸钙与氧化铝反应，以形成二铝酸钙，并且其中将模具燃烧，以使钙铝石含量最小化。
图7显示铸造铝化钛制品的X-射线平面视图图像。图7a显示X-射线图像，其中箭头指出表面下的内含物和铸件多孔结构的实例。图7b为图7a的放大图。图7b显示5.44 mm长的来自模具的表面下内含物的一个实例。还指示铸件多孔结构，其中一个实例指示多孔结构的直径为0.99 mm。
图8显示具有表面涂层的模具的示意图。图8a显示具有约100微米厚的固有表面涂层的模具。示意图显示固有表面涂层，还指示模具腔和铝酸钙模具位置。图8b显示具有约100微米厚的外来表面涂层的模具。示意图显示外来表面涂层，还指示模具腔和铝酸钙模具位置。
图9显示根据本公开的方面的流程图，说明用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法的步骤。
发明详述
本公开的实施方案提供一种模具和制备具有高结构完整性的铝化钛和铝化钛合金铸件的方法，通过提供可存在于铸件的外表面处和/或下面的内含物(例如，表面内含物和/或表面下内含物)的容易可检测性。这些内含物可由熔融金属、由模具制造过程和/或由铸造过程产生，例如，在熔模铸造期间。在一方面，在铸造期间表面区域可形成为硬的脆性层，在本领域称为“α壳体(alpha case)”，其可含有不期望的内含物。该层的厚度通常为约0.03毫米[mm]。
出于铸件应铸造至“近净形”的观点，在熔模铸件外壳模具中通过熔模铸造钛及其合金来制造基于钛的机身部件造成问题。也就是，可将部件铸造至部件的基本上最终期望的尺寸，并且需要很少或不需要最终处理或机械加工。例如，一些铸件可需要仅化学研磨操作以除去存在于铸件上的任何α壳体。然而，在铸件中位于低于α壳体的任何表面下陶瓷内含物通常不通过化学研磨操作除去。即使在化学研磨后，这些表面下的内含物在视觉检查铸件时不可见，并且在铸件中保留在α壳体层之下。由于模具表面涂层和模塑介质中的任何反应性金属(例如，反应性铝化钛)之间的反应，可形成这些内含物。
本公开提供一种用于铸造近净形钛和铝化钛部件(例如，涡轮机叶片或机翼)的新的方法。本公开的实施方案提供用于熔模铸造模具的物质的组合物和可提供改进的钛和钛合金部件的铸造方法，例如，用于航空航天行业。在一些方面，模具组合物提供一种模具，该模具可含有在模具制备期间提供改进的模具强度和/或在铸造期间提供对于与铸造金属反应的提高抗性的相。根据本公开的方面的模具能在高压下铸造，这是近净形铸造方法期望的。已确定例如含有铝酸钙水泥和氧化铝颗粒和优选的组成相的模具组合物提供具有改进性质的铸件。
在一方面，模具的组成相包含单铝酸钙(CaAl2O4)。本发明人发现出于至少两个原因，高度期望单铝酸钙。首先，本发明人理解，在模具制备的初始阶段期间，认为单铝酸钙促进在水泥颗粒之间的水硬结合形成，并且认为在模具构造期间该水硬结合提供模具强度。第二，本发明人理解，单铝酸钙经历非常慢速率的与基于钛和铝化钛的合金的反应。在某一实施方案中，向本公开的模具组合物(例如，熔模铸造模具)提供铝酸钙水泥形式的单铝酸钙。在一方面，模具组合物包含铝酸钙水泥和氧化铝(即，氧化铝)的混合物。
在本公开的一方面，在铸造期间模具组合物提供与合金的最小反应，并且模具提供具有所需的部件性质的铸件。铸件的外部性质包括例如形状、几何结构和表面修饰的特征。铸件的内部性质包括机械性质、微观结构、低于指定的尺寸并且在容许限度内的缺陷(例如孔和内含物)。
本公开的一方面的模具组合物提供低成本铸造铝化钛(TiAl)涡轮机叶片，例如，TiAl低压涡轮机叶片。模具组合物可提供铸造近净形零件的能力，与使用常规的外壳模具和重力铸造制备的零件相比，近净形零件需要较少的机械加工和/或处理。本文使用的表述“近净形”暗示制品的初始生产接近制品的最终(净)形状，减少对进一步处理的需要，例如，大范围的机械加工和表面修饰。本文使用的术语“涡轮机叶片”指蒸汽涡轮机叶片和燃气轮机叶片二者。
因此，本发明人解决以下问题：生产不与钛和铝化钛合金显著反应的模具(例如，熔模铸造模具)。此外，根据本公开的一些方面，模具的强度和稳定性允许高压铸造方法，例如离心铸造。本公开的方面的技术优点之一在于，在一方面，本公开可改进可例如由铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造模具产生的净形铸件的结构完整性。较高的强度(例如，较高的疲劳强度)允许制造较轻的部件。此外，具有较高疲劳强度的部件可持续更久，因此具有较低的生命周期成本。
铸模组合物
本公开的方面提供一种用于熔模铸造模具的物质的组合物，该模具可提供钛和钛合金的改进的部件。在本公开的一方面，可提供铝酸钙水泥形式的单铝酸钙。铝酸钙水泥可称为“水泥”或“粘合剂”。在某些实施方案中，将铝酸钙水泥与氧化铝颗粒混合，以提供可铸造的熔模铸造模具混合物。在可铸造的模具混合物中，铝酸钙水泥通常可大于约30%体积。在某些实施方案中，在可铸造的模具混合物中，铝酸钙水泥为约30%-约60%体积。在可铸造的模具混合物(铸模组合物)中使用大于30%体积的铝酸钙水泥为本公开的一个特征。适当的铝酸钙水泥化学性质和氧化铝制剂的选择为模具性能的因素。在一方面，可在模具组合物中提供足够量的氧化钙，以使与钛合金的反应最小化。
在一方面，模具组合物(例如，熔模铸造模具组合物)可包含铝酸钙水泥和氧化铝颗粒的多相混合物。铝酸钙水泥可用作粘合剂，例如，铝酸钙水泥粘合剂可提供模具结构的主要骨架结构。在模具中铝酸钙水泥可包含连续相并且在固化和铸造期间提供强度。模具组合物可由铝酸钙水泥和氧化铝组成，也就是，铝酸钙水泥和氧化铝可构成模具组合物的基本上仅有的组分，具有很少或不具有其它组分。在一种实施方案中，本公开包含含钛制品铸模组合物，所述组合物包含铝酸钙。在另一实施方案中，铸模组合物还包含氧化物颗粒，例如，空心氧化物颗粒。根据本公开的方面，氧化物颗粒可为氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒、氧化钛颗粒和/或二氧化硅氧化物颗粒或它们的组合。
铸模组合物还可包含氧化铝，例如，空心颗粒形式，也就是，具有基本上被氧化物围绕的空心核或基本上空心核的颗粒。这些空心氧化铝颗粒可包含约99%的氧化铝，并且具有约0.5毫米[mm]或更小的外部尺寸，例如，宽度或直径。在某些实施方案中，空心氧化物颗粒可包含空心氧化铝球体。空心氧化铝球体可掺入到铸模组合物中，并且空心球体可具有一系列几何形状，例如，圆形颗粒或不规则聚集体。在某些实施方案中，氧化铝可包括圆形颗粒和空心球体二者。在一方面，发现这些几何形状提高熔模铸造模具混合物的流动性。增强的流动性通常可改进表面修饰和由模具生产的最终铸件的表面特征的保真度或精度。
氧化铝包含约10微米-约10,000微米外部尺寸范围的颗粒。在某些实施方案中，氧化铝包含外部尺寸(例如，直径或宽度)小于约500微米的颗粒。氧化铝可占铸模组合物的约0.5%重量-约80%重量。或者，氧化铝占铸模组合物的约40%重量-约60%重量。
在一种实施方案中，铸模组合物还包含氧化钙。氧化钙可大于铸模组合物的约15%重量并且小于约50%重量。最终的模具通常可具有小于2 g/cm3的密度和大于500磅/平方英寸[psi]的强度。在一种实施方案中，氧化钙大于铸模组合物的约30%重量并且小于约50%重量。或者，氧化钙大于铸模组合物的约25%重量并且小于约35%重量。
在一个具体的实施方案中，本公开的铸模组合物包含铝酸钙水泥。铝酸钙水泥包括至少三种相或包含钙和铝的组分：单铝酸钙(CaAl2O4)、二铝酸钙(CaAl4O7)和钙铝石(Ca12Al14O33)。单铝酸钙的体积分数可为0.05-0.95；二铝酸钙的体积分数可为0.05-0.80；而钙铝石的体积分数可为0.01-0.30。在另一实例中，单铝酸钙的体积分数占约0.1-约0.8的体积分数；二铝酸钙占约0.1-约0.6的体积分数；而钙铝石占约0.01-约0.2的体积分数。在铝酸钙水泥中，单铝酸钙的体积分数可大于约0.5，且在铝酸钙水泥中，钙铝石的体积分数可小于约0.15。在另一实施方案中，铝酸钙水泥大于铸模组合物的30%重量。
在一种实施方案中，铝酸钙水泥具有约50微米或更小的粒径。由于三个原因，优选小于50微米的粒径：首先，认为在模具混合和固化期间细粒径促进形成水硬结合；第二，认为在燃烧期间细粒径促进颗粒间烧结，并且这可提高模具强度；第三，认为细粒径改进模塑制品的表面修饰。铝酸钙水泥可作为粉末提供，并且可以其固有的粉末形式，或以附聚的形式使用，例如，作为喷雾干燥的附聚物。铝酸钙水泥还可与微尺度(例如，小于10微米尺寸)氧化铝预共混。由于在高温燃烧期间烧结，认为微尺度氧化铝提供强度提高。在某些情况下，还可加入较大尺度氧化铝(也就是，大于10微米尺寸)，含有或不含微尺度氧化铝。
铝酸钙水泥组合物
用于本公开的方面的铝酸钙水泥通常包含三种相或钙和铝的组分：单铝酸钙(CaAl2O4)、二铝酸钙(CaAl4O7)和钙铝石(Ca12Al14O33)。单铝酸钙为存在于钙氧化铝水泥中的水硬矿物质。单铝酸钙的水合有助于熔模铸造模具的高的早期强度。在水泥中期望钙铝石，因为由于水硬结合的快速形成，在模具固化的早期阶段期间，钙铝石提供强度。然而，在铸造前，在模具的热处理期间，通常将钙铝石除去。
在一方面，在水泥制造窑中燃烧后，初始铝酸钙水泥制剂通常不处于热力学平衡。然而，在模具制备和高温燃烧后，模具组合物移向热力学稳定的结构，并且该稳定性对于随后的铸造过程是有利的。在一种实施方案中，在水泥中单铝酸钙的体积分数大于0.5，并且钙铝石的体积分数小于0.15。将钙铝石掺入到模具中，因为钙铝石为一种快速定形铝酸钙，并且认为在固化的早期阶段期间为水泥提供强度。固化可在低温(例如，15℃-40℃温度)下进行，因为消散性蜡模板（fugitive wax pattern）对温度敏感，并且在超过约35℃下热暴露时失去其形状和性质。优选在低于30℃的温度下固化模具。
铝酸钙水泥通常可通过将高纯度氧化铝与高纯度氧化钙或碳酸钙混合而生产；通常在炉或窑中将化合物的混合物加热至高温，例如，1000-1500℃的温度，并且使其反应。
随后将在窑中生产的所得产物(在本领域中称为水泥“熔渣”)碾碎，研磨，并且筛分，以生产具有优选的粒径的铝酸钙水泥。此外，设计并且处理铝酸钙水泥，以具有最少量的杂质，例如，最少量的二氧化硅、钠和其它碱金属和氧化铁。在一方面，铝酸钙水泥的目标水平是Na2O、SiO2、Fe2O3和TiO2的总和小于约2%重量。在一种实施方案中，Na2O、SiO2、Fe2O3和TiO2的总和小于约0.05%重量。
在本公开的一方面，提供本体氧化铝浓度超过35%重量氧化铝(Al2O3)和小于65%重量氧化钙的铝酸钙水泥。水泥的最大氧化铝浓度可为约85% (例如，约15% CaO)。在一种实施方案中，铝酸钙水泥具有高纯度并且含有最多70%氧化铝。在铸造前，在燃烧的模具中，单铝酸钙的体积分数可最大化。可需要最少量的氧化钙，以使铸造合金和模具之间的反应最小化。如果在水泥中存在大于50%氧化钙，这可导致例如钙铝石和铝酸三钙的相，并且在铸造期间这些性能不如单铝酸钙。氧化钙的优选范围是小于约50%并且大于约15%重量。
如上所述，在模具中在铝酸钙水泥/粘合剂中的三种相为单铝酸钙(CaAl2O4)、二铝酸钙(CaAl4O7)和钙铝石(Ca12Al14O33)。比起其它铝酸钙相，在水泥/粘合剂中的单铝酸钙具有三个优点：1) 将单铝酸钙掺入到模具中，因为其具有快速定形响应(但是不如钙铝石快)，并且认为在固化的早期阶段期间为模具提供强度。快速产生模具强度提供铸造模具的尺寸稳定性，并且该特征改进最终铸造部件的尺寸一致性。2) 对于待铸造的钛和铝化钛合金，单铝酸钙在化学上非常稳定。相对于二铝酸钙和具有较高氧化铝活性的其它铝酸钙相，优选单铝酸钙；这些相与待铸造的钛和铝化钛合金更具反应性。3) 单铝酸钙和二铝酸钙为低膨胀相，并且认为其防止在固化、脱蜡和随后的铸造期间在模具中形成高水平的应力。单铝酸钙的热膨胀行为与氧化铝紧密匹配。
具有改进的可检测性的铸模组合物
模具材料(铝酸钙水泥和氧化铝)和钛的X-射线密度存在小的差异，因此，出现于模具的内含物难以检测。为了解决该限制，可向陶瓷熔模铸造混合物中加入物类以增强内含物的X-射线可检测性。
本公开的一方面为一种用于铸造含钛制品的模具组合物，所述组合物包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和X-射线或中子-射线可检测的元素。本公开的另一方面为一种含钛制品铸模组合物，所述组合物包含：铝酸钙；和X-射线或中子-射线可检测的元素。在一种实施方案中，当模具组合物形成模具时，铝酸钙水泥形成小于约100微米的固有表面涂层。在一种实施方案中，将X-射线或中子-射线可检测的元素在模具内混合。在另一实施方案中，将X-射线或中子-射线可检测的元素在模具内混合并且成为固有的表面涂层的一部分。
存在若干不同的方法可使X-射线或中子-射线可检测的元素与模具混合物混合。例如，可在模具混合过程的任何阶段，作为液体(例如硝酸盐)加入元素。元素还可作为氧化物加入，如本文所描述的。在一种实施方案中，在产生模具混合物之前，元素作为氧化物与熔融形式的氧化铝组合，例如铒铝石榴石或镝铝石榴石。陶瓷模具制备领域技术人员应理解的是，可采用不同的方法以向模具中引入X-射线或中子-射线可检测的元素。在一种实施方案中，模具组合物不具有外来的表面涂层。
模具组合物还可包含氧化物颗粒。氧化物颗粒包含氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化锆和氧化钛中至少之一的颗粒。在一个具体的实施方案中，氧化物颗粒为氧化铝颗粒。含钛的铸造制品可为发动机、涡轮机或涡轮机叶片。
由于在模具材料(铝酸钙水泥和氧化铝)的X-射线密度和钛的X-射线密度之间仅存在小的差异，所以出现于模具的内含物难以检测。在此，本发明人向它们的熔模铸造混合物中加入某些X-射线可检测的元素，以增强表面下的内含物的可检测性。因此，本公开的一方面为一种用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法，所述方法包括：将铝酸钙、比铝酸钙更加射线照相致密的元素和液体组合，以形成浆料；由所述浆料形成具有铝酸钙和射线照相致密元素的模具；将含铝化钛的金属引入到携带射线照相致密元素的模具中；固化所述含铝化钛的金属，以在模具中形成制品；从所述模具除去固化的含铝化钛的金属制品；使固化的含铝化钛的制品经受射线照相检查，以提供射线照片；和对所述射线照片检查在制品上或在制品中射线照相致密元素的存在。在一种实施方案中，所述方法包括在含铝化钛的铸造制品中使模具材料内含物的存在最小化。
组合步骤还包括将氧化物颗粒与浆料组合。可将液体(例如水，例如，去离子水)加入到浆料中，以调节浆料粘度。可使用任何粘度测量方案或仪器。通常，对于使用Zahn杯粘度测量技术测定的水泥浆料混合物，在8-20秒(优选，9-12秒)内调节粘度；该技术为本领域技术人员公知的。限制存在于浆料中的水的量，使得不会减少外壳模具的原始强度或燃烧后的强度。在某些实施方案中，射线照相致密元素比氧化物颗粒更加射线照相致密，例如，射线照相致密元素比氧化钙更加射线照相致密。在某些实施方案中，氧化物颗粒包含空心氧化物颗粒，例如，空心氧化铝颗粒。
本公开的一个优点在于可生产铸件，其提供对于在所述铸件的表面上、附近和/或下面的任何表面内含物和/或表面下内含物的增强的可检测性，所述内含物通常不能通过视觉检查而检测。例如，通过本公开的方面可检测以下内含物：其可位于低于钛基铸件的α壳体层的下面，并且不会通过铸造后化学研磨操作或其它表面处理而除去。此外，常规的化学研磨方案仍可用于从铸件除去α壳体，因为实践本公开不会促进在钛基铸件上进一步形成α壳体。
本公开的一方面提供一种用于铸模的物质的组合物，例如，熔模铸造铸模，对于例如由铸塑在铸件中可不期望地出现的内含物，其可提供改进的X-射线或中子-射线可检测性。在一种实施方案中，这通过加入比铸模组合物更加射线照相致密(例如，比铝酸钙更加射线照相致密)的元素来实现。在一方面，本公开为一种用于铸造含钛制品的模具组合物，所述组合物包含：铝酸钙；和X-射线或中子-射线可检测的元素。含钛的铸造制品可为铝化钛发动机部件、铝化钛涡轮机或铝化钛涡轮机叶片。在一种实施方案中，可使用的X-射线或中子-射线可检测元素包括镱、铪、钆、钨、钍、铀、钇、镝、铒、铈和它们的组合物中的至少一种。在一些情况下使用这些元素，因为它们比铝酸钙更加射线照相致密。
本公开的一方面为一种模具组合物，所述组合物包含：包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和至少一种比铝酸钙水泥更加射线照相致密的元素。本公开的另一方面为一种模具组合物，所述组合物包含铝酸钙和至少一种比铝酸钙更加射线照相致密的元素。携带铒、镝和/或钆的铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造混合物具有与其它元素相比，铒、镝和钆的相对高的X-射线可检测性的优点。另外的优点在于，在铸造期间，铒、镝和钆还对与熔融钛和钛合金的反应有抗性。与ThO2和其它携带放射性的模具组合物相比，携带铒、镝和/或钆的熔模铸造混合物不具有放射性，因此在一些实施方案中是优选的。
当形成为模具时，模具制剂可不形成外来的表面涂层，例如钇，而制剂可为铝酸钙和氧化铝的均匀两相组合物。在熔模铸造混合、倒出和固化期间，在模具中模具形成铝酸钙的固有的表面涂层。根据本公开的一方面，在模具中铝酸钙的固有的表面涂层(通常小于100微米厚)还含有射线照相致密元素的颗粒，例如，在模具材料内混合的铒和/或镝和/或钆。向熔模铸造混合物中携带加入铒、镝、钆用于制备铝化钛和铝化钛合金铸件所用的模具，因为铒、镝和钆呈现比其它陶瓷组分更大的X-射线密度。在铸造操作期间，一些射线照相致密元素(例如，铒、镝和钆)还呈现对于与熔融铝化钛和铝化钛合金的反应的可接受抗性。
模具、铸造方法和检测表面下的内含物
如下形成熔模铸造模具：配制陶瓷组分的熔模铸造混合物，和将混合物倒出至含有消散性模板的容器中。让在模板上形成的熔模铸造模具充分固化，以形成所谓的“原始模具”。通常，原始模具的固化进行1小时-48小时的时间。随后，通过熔融、溶解、点燃或其它已知的模板去除技术从原始模具选择性除去消散性模板。用于蜡模板去除的典型方法包括烘箱脱蜡(小于150℃)、炉脱蜡(大于150℃)、蒸汽高压釜脱蜡和微波脱蜡。
为了铸造钛合金和铝化钛及其合金，随后将原始模具在超过600℃的温度(优选700-1400℃)下燃烧超过1小时(优选2-6小时)的时间段，以发展铸件的模具强度和除去模具中的任何不期望的残余杂质，例如金属物类(Fe、Ni、Cr)和含碳物类。燃烧模具的气氛通常为环境空气，但是可使用惰性气体或还原气体气氛。
燃烧过程还从模具除去水，并且将钙铝石转化为铝酸钙。模具燃烧程序的另一目的是使在铸造前保留在模具中的任何游离的二氧化硅最小化。其它目的是除去水，提高高温强度，和提高单铝酸钙和二铝酸钙的量。
将模具从室温加热至最终燃烧温度，尤其是控制热史和湿度特性。通常调节或控制至燃烧温度的加热速率和燃烧后的冷却速率。如果将模具加热得太快，则其可在内部或外部或两者处开裂；在铸造前模具开裂是高度不期望的。此外，如果将模具加热得太快，则模具的内表面可开裂和剥落。这可导致在最终铸件中不期望的内含物，即使不存在内含物也导致差的表面修饰。类似地，如果在达到最大温度后将模具冷却得太快，则模具也可在内部或外部或两者处裂化。
在本公开中描述的模具组合物特别适用于钛和铝化钛合金。在燃烧后和在铸造前，模具组合物可影响模具性质，特别是关于组成相。在一种实施方案中，为了铸造目的，优选在模具中单铝酸钙的高体积分数，例如，0.3-0.8的体积分数。此外，为了铸造目的，期望钙铝石的体积分数最小化，例如，使用0.01-0.2的体积分数，因为钙铝石对水敏感，并且其可提供关于在铸造期间水释放和气体产生的问题。在燃烧后，模具还可含有小体积分数的硅铝酸盐和硅铝酸钙。硅铝酸盐和硅铝酸钙的体积分数的总和通常可保持小于5%，以使模具与铸件的反应最小化。
在某些实施方案中，本公开的铸模组合物包含熔模铸造模具组合物。熔模铸造模具组合物包含近净形、含钛的金属、熔模铸造模具组合物。在一种实施方案中，熔模铸造模具组合物包含用于铸造近净形铝化钛制品的熔模铸造模具组合物。近净形铝化钛制品包含例如近净形铝化钛涡轮机叶片。
在铸造期间，正确的铝酸钙水泥化学性质和氧化铝制剂的选择为模具性能的因素。关于铝酸钙水泥，可需要游离氧化钙的量最小化，以使与钛合金的反应最小化。如果在水泥中氧化钙浓度小于15%重量，因为氧化铝浓度太高，合金与模具反应，并且该反应在铸件中产生不期望的氧浓度水平、铸造部件中的气泡和差的表面修饰。如果在水泥中氧化钙浓度大于50%重量，模具可对从环境吸收水和二氧化碳敏感。因此，在熔模铸造模具中氧化钙浓度通常可保持低于50%。在一种实施方案中，氧化钙浓度为15%-40%重量。或者，氧化钙浓度为25%-35%重量。
在处理期间和在铸造前，二氧化碳可导致在模具中形成碳酸钙，并且在铸造操作期间，碳酸钙不稳定。因此，模具中的水和二氧化碳可导致差的铸件品质。如果吸附的水含量太高，例如，大于0.05重量%，当在铸造期间熔融金属进入模具时，水被释放并且其可与合金反应。这导致差的表面修饰、铸件中的气泡、高氧浓度和差的机械性质。类似地，如果二氧化碳水平太高，在模具中可形成碳酸钙，并且当在铸造期间熔融金属进入模具时，碳酸钙可分解，产生可与合金反应的二氧化碳。所得碳酸钙小于模具的1%重量。
在铸造熔融金属或合金前，通常将熔模铸造模具预热至模具铸造温度，该温度取决于待铸造的特定的部件几何形状或合金。例如，典型的模具预热温度为600℃。通常，模具温度范围为450℃-1200℃；优选的温度范围为450℃-750℃，并且在某些情况下，温度范围为500℃-650℃。
根据一方面，使用常规的技术将熔融金属或合金倒入模具中，所述技术可包括重力、反重力、压力、离心和本领域技术人员已知的其它铸造技术。可使用真空或惰性气体气氛。对于复杂形状的薄壁几何形状，优选使用高压的技术。在将固化的铝化钛或合金铸件冷却至通常小于650℃(例如，冷却至室温)后，将其从模具除去，并且使用常规的技术修饰，例如，喷砂、水射流吹洗和抛光。
本公开的一方面为一种用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法，所述方法包括：将铝酸钙、至少一种比铝酸钙更加射线照相致密的元素和液体组合，以形成浆料；由浆料形成具有铝酸钙和射线照相致密元素的模具；将含铝化钛的金属引入到携带射线照相致密元素的模具中；固化所述含铝化钛的金属，以在模具中形成制品；从所述模具除去固化的含铝化钛的金属制品；使固化的含铝化钛的制品经受射线照相检测，以提供射线照片；和对所述射线照片检查在制品上或在制品中射线照相致密元素的存在。在一种实施方案中，所述方法包括在含铝化钛的铸造制品中使模具材料内含物的存在最小化。
在从模具除去所述消散性模板和将模具预热至模具铸造温度之间，首先将模具加热至约450℃-约900℃的温度，随后冷却至室温。在一种实施方案中，固化步骤在低于约30℃的温度下进行1小时-48小时。除去消散性模板包括熔融、溶解、点燃、烘箱脱蜡、炉脱蜡、蒸汽高压釜脱蜡或微波脱蜡的步骤。在一种实施方案中，在从模具除去钛或钛合金后，铸件可使用喷砂、水射流吹洗或抛光来修饰。在将固化的铸件从模具除去后，通过X-射线或中子射线照相术检查。
对于本公开，在铸造和修饰后，固化的铸件经受表面检查和X-射线射线照相术，以检测在铸件内在任何位置处任何表面下的内含物颗粒。采用X-射线射线照相术来发现不能通过视觉检查铸件的外表面检测的内含物。使用常规的X-射线设备，铝化钛铸件经受X-射线射线照相术(胶片或数字)，以提供X-射线射线照片，随后检查或分析所述射线照片，以确定在铝化钛铸件内是否存在任何表面下的内含物。
由于在模具填充期间模具腐蚀的结果、反应性熔融金属与模具表面涂层之间的反应和/或模具的热冲击导致的机械剥落，表面下的内含物可出现于熔模铸造模具表面涂层或模具表面涂层。当使用X-射线方法发现表面下的内含物时，可使铸件经受研磨和焊接修复操作以除去和更换足够的材料，以除去不可接受的内含物；或者如果对于铸件所需的机械完整性，内含物大于规定尺寸，可将铸件废弃。
在铸造和修饰后固化的铸件通常经受表面检查和X-射线射线照相术，以检测在铸件内在任何位置处的任何陶瓷内含物颗粒，例如，表面下的内含物颗粒。使用携带铒、镝和钆的铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造混合物。携带铒的铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造混合物可选自熔融形式或其它形式的熔融、煅烧或烧结的氧化铒(氧化铒)粉末。优选熔融氧化铒粉末作为氧化铒浆料组分，因为其比煅烧或烧结的氧化铒粉末更致密和对于与铝化钛或铝化钛合金熔体的化学反应更有抗性。可在混合期间，在任何阶段，将熔融的氧化铒粉末加入到熔模铸造模具混合物。在一种实施方案中，熔融氧化铒粉末与铝酸钙水泥一起加入。特别可用于实践本公开的熔融氧化铒粉末可按Auercoat 4/3得自Treibacher Auermet GmbH，A-9330 Treibach-Althofen，奥地利，其粉末粒径为-325目(小于44微米)。可用于实践本公开的煅烧氧化铒粉末可按Auercoat 4/4也得自Treibacher Auermet GmbH，粒径为-325目(小于44微米)。目尺寸参考美国标准筛分系统（U.S. Standard Screen System）。
在一种实施方案中，所述方法还包括从制品除去射线照相致密元素的步骤。这样从制品除去射线照相致密元素可通过机械加工、研磨、抛光或焊接的一个或多个步骤实现。化学研磨也可用于从制品除去射线照相致密元素。
由于存在表面下的内含物被铸造部件夹带从而降低最终铸件的强度和携带负载能力的风险，本公开涉及从铸件检测和消除这些表面下的内含物，以使铸件的机械性质和性能最大化。本公开提供用于改进铸件的结构完整性的方法，做法是通过在铝化钛的铸造期间提高检测可由铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造模具产生的内含物的概率。
由于较大的X-射线对比度，本公开还允许检测较小的内含物。利用现代数字X-射线方法的检测内含物的较大概率和检测较小内含物的较大能力改进钛合金和铝化钛合金的铸件的强度和疲劳强度。
所描述的模具组合物提供少量的具有高中子吸收横截面的材料。在一方面，中子射线照片由铸造制品制备。由于钛合金铸造制品对于中子可为基本上透明，模具材料通常在所得中子射线照片中清楚地显露。在一方面，相信中子暴露导致射线照相致密元素的“中子活化”。中子活化涉及中子辐射与铸件的射线照相致密元素的相互作用，以实现形成模具组合物的射线照相致密元素的放射性同位素。放射性同位素可随后通过常规的放射性检测装置检测，以计算存在于铸造制品中的任何射线照相致密元素同位素。
热中子束可得自多个来源，包括核反应器、亚临界组件、放射性中子来源或加速器。通过N-射线产生的图像可在胶片上记录，例如使用X-射线。这通常通过将待成像的零件放置在中子束中，随后对于期望图像所处的每一个角度，在胶片上记录图像而完成。N-射线图像还可使用现代数字检测设备实时进行。
N-射线使用中子作为透射辐射，用于使内含物成像。所有中子(例如，快中子、超热中子、热中子和冷中子)的能量可用于N-射线成像。N-射线成像为一种其中将通过物体的辐射束强度调节用于鉴定内含物和缺陷的方法。用于N-射线成像所需的组分包括以下来源：快中子、调节器、γ过滤器、准直仪、转换屏、胶片图像记录仪或其它成像系统、盒和足够的生物学屏蔽和联锁系统。
在一方面，当加入中子强吸收剂到模具材料时，目前教导的方法可用于铝化钛铸件。中子吸收添加剂是合适的，因为它们具有期望的高中子吸收横截面。由于通常中子射线照片使用具有热或共振能量水平的中子来产生，通常优选中子吸收材料对于热中子具有高吸收横截面。与本公开的铝化钛模具相容的具有高热中子吸收横截面的实例材料包括铒、镝、钆和它们的混合物。
总的来说，添加剂的中子吸收横截面越高，得到期望的成像特性所需的量越小。通常，使用小于10%重量。例如，在模具组合物中，X-射线或中子-射线可检测的部件为约0.5-约6重量%。使用核材料的约1-约4重量%的铒、镝或钆氧化物可得到良好的结果。钆具有非常高的中子吸收横截面，并且在模具中使用少量产生优良的图像。在一种实施方案中，用于增强N-射线和X-射线对比度的溶液包含用于N-射线和X-射线增强的元素的硝酸盐、卤化物、硫酸盐、高氯酸盐。
在一方面，用于X-射线对比度增强和检测的合适的模具添加物的选择取决于成像剂的密度与钛合金铸件的密度之间的差异。用于使内含物N-射线成像的合适的模具添加物的选择由以下决定：线性衰减系数，或相对于铸造钛零件的热中子横截面并遍及铸件整个横截面的成像添加物的热中子横截面。
在本公开的一方面，本发明人基于以下因素选择要加入到铝酸钙熔模铸造模具中的N-射线和X-射线对比度增强元素，所述因素包括：元素的氧化物对模具金属的稳定性(低反应速率)、与钛相比的x-射线密度和与钛相比的N-射线减缓（moderation）以及可用性/成本。考虑这些标准，指定三种物类：氧化铒、氧化镝和氧化钆。基于以上标准，考虑其它对比度增强元素，例如钕、钐、铕、钬、镱、镥，然而，不认为提供与本申请中使用钆、铒和镝时相同的结果。在一种实施方案中，氧化钆、氧化铒和氧化镝优选用于检测可在铸造钛或钛合金中来自铝酸钙模具的内含物。
关于内含物的X-射线检测，实现可检测性的主要因素包括(1) 钛合金的密度与内含物的密度相比的差异，(2)内含物的尺寸、厚度、形状和取向，和(3)铸造钛合金部件的横截面的厚度。如果铸造材料和内含物的密度之间的差异小(例如小于约0.5 g/cc)，则可能不存在足够的图像对比度来通过X-射线检测内含物。在这些情况下，采用N-射线，条件是加入适当的元素用于N-射线对比度增强。
在本公开的一方面，用于X-射线检测的合适的成像剂的选择取决于成像剂和铸件的金属或合金的密度之间的差异。在一个实例中，用于使内含物N-射线成像的合适的成像剂的选择由线性衰减系数或要用作成像剂的材料的中子吸收横截面相对于要铸造的金属或合金的中子吸收横截面而决定。需要模具和铸件的线性衰减系数或中子吸收横截面之间的差异足够，使得在制品的整个横截面中，任何模具内含物可成像。
对于使用N-射线检测钛或钛合金铸件中的内含物而成像，钆为向模具的优选添加物。钆具有非常高的中子吸收横截面。具体地，钆的中子吸收横截面为259,000靶恩，而钛的中子吸收横截面为约6.1靶恩。其它元素的中子吸收横截面包括，镝(2840靶恩)，铒(659靶恩)，ettrium (1.3靶恩)，钙(0.4靶恩)，铝(0.2靶恩)。因此，例如，含钙和含铝内含物的N-射线成像能力非常低。(关于额外的信息，参见National Institute of Standards andTechnology Center for Neutron Research网站)。因此，元素的选择为本公开的一个特征，并且可使用所选元素的同位素。
在一方面，相对于钛，添加钆或镝或铒可大大增强中子吸收能力，因此在N-射线期间内含物成像对比度能力大大增强。认为钆同位素157具有259,000靶恩的热中子吸收横截面。钛或钛合金的中子吸收横截面之间的差异使得钆特别适合N-射线成像。对于钛以外的金属和/或合金，钆也是优选的成像剂，主要由于钆相对大的中子吸收横截面。
本公开的方面的一个技术优点在于，通过允许对可由铝酸钙水泥和氧化铝熔模铸造混合物产生的内含物的改进的检测，其改进含钛制品铸件的结构完整性。由于较大的X-射线对比度，本公开还允许检测较小的内含物。使用最现代的数字X-射线方法，检测内含物的较大概率和检测较小内含物的较大能力改进钛合金和铝化钛合金铸件的强度和疲劳强度。较高的强度允许较轻的部件，并且较高的疲劳强度提供具有较长寿命的部件，因此较低的生命周期成本。在一种实施方案中，部件包含铝化钛涡轮机叶片。
实施例
参考以下实施例可更容易理解已总体上描述的本公开，包括这些实施例仅用于说明本公开的某些方面和实施方案的目的，并且不旨在以任何方式限制本公开。
熔模铸造模具组合物和制剂
将铝酸钙水泥与氧化铝混合，以产生熔模铸造模具混合物，并且测试一系列熔模铸造模具化学性质。熔模铸造混合物由具有70%氧化铝和30%氧化钙的铝酸钙水泥、氧化铝颗粒、水和胶态二氧化硅组成。
在第一实施例中，用于制备熔模铸造模具的典型的浆料混合物由以下组成：3000克[g]铝酸钙水泥(包含约10%重量的钙铝石、约70%重量的单铝酸钙和约20%重量的二铝酸钙)、1500 g尺寸小于10微米的煅烧氧化铝颗粒、2450 g尺寸为0.5-1mm 直径的高纯度煅烧氧化铝颗粒、1650 g去离子水和150 g胶态二氧化硅。
典型的高纯度煅烧氧化铝颗粒类型包括熔融、平板状和磨细的氧化铝。典型的合适的胶态二氧化硅包括Remet LP30、Remet SP30、Nalco 1030、Ludox。生产的模具用于铸造含铝化钛的制品，例如具有良好的表面修饰的涡轮机叶片。粗糙度(Ra)值小于100微英寸，并且氧含量小于2000百万分率[ppm]。该制剂产生约120mm 直径和400mm长的模具。该制剂生产密度小于2 g/cm3的模具。
通过在容器中混合铝酸钙水泥、水和胶态二氧化硅，制备模具混合物。使用高剪切形成混合。如果未充分混合，水泥可凝胶化。当水泥在混合物中完全悬浮时，加入微尺度氧化铝颗粒。当将微尺度氧化铝颗粒与水泥完全混合时，加入较大尺寸(例如，0.5-1.0 mm)氧化铝颗粒，并且与水泥-氧化铝制剂混合。最终混合物的粘度为另一因素，因为粘度切勿太低或太高。此外，在模具制备过程步骤期间，在所选的点，可使用促进剂和延迟剂。含有促进剂和延迟剂的典型的单独分散氧化铝包括Almatis ADS-1、ADS-3和ADW-1。
混合后，以受控的方式将熔模铸造混合物倒入含有消散性蜡模板的容器中。容器提供模具的外部几何形状，而消散性模板产生内部几何形状。正确的倾倒速度为另一特征，如果倾倒速度太快，空气可在模具中被俘获，如果太慢，可发生水泥和氧化铝颗粒的分离。合适的倾倒速度为约1-约20升/分钟。在一种实施方案中，倾倒速度为约2-约6升/分钟。在一个具体的实施方案中，倾倒速度为约4升/分钟。
在第二实施例中，用于制备熔模铸造模具的浆料混合物由以下组成：3000 g铝酸钙水泥(包含约10%重量的钙铝石、约70%重量的单铝酸钙和约20%重量的二铝酸钙)，1500 g尺寸小于10微米的煅烧氧化铝颗粒、2650 g尺寸为0.5-1mm直径的高纯度煅烧氧化铝泡，1650 g去离子水和150 g胶态二氧化硅。
氧化铝空心颗粒提供具有降低的密度的模具。铝酸钙水泥的重量分数为42%，而氧化铝的重量分数为58%。该制剂生产约125mm直径和400 mm长的模具。随后将模具固化和在高温下燃烧。产生的模具用于铸造含铝化钛的制品，例如具有良好的表面修饰的涡轮机叶片。粗糙度(Ra)值小于100，并且氧含量小于2000 ppm。该制剂生产具有小于1.8 g/cm3密度的模具。
在第三实施例中，用于制备熔模铸造模具的浆料混合物由以下组成：600 g铝酸钙水泥(由约10%重量的钙铝石、约70%重量的单铝酸钙和约20%重量的二铝酸钙组成)、300 g尺寸小于10微米的煅烧氧化铝颗粒、490 g尺寸为0.5-1mm直径的高纯度煅烧氧化铝泡、305g去离子水和31 g胶态二氧化硅。该制剂生产较小的模具用于约120mm直径和150mm长的较小部件。随后将模具固化和在高温下燃烧。产生的模具用于铸造含铝化钛的制品，例如具有良好的表面修饰的涡轮机叶片。粗糙度(Ra)值小于100微英寸，并且氧含量小于1600 ppm。
在第四实施例中，用于制备熔模铸造模具的浆料混合物由以下组成：2708 g铝酸钙水泥(包含约10%重量的钙铝石、约70%重量的单铝酸钙和约20%重量的二铝酸钙)、1472 g尺寸为0.5-1mm直径的高纯度煅烧氧化铝泡、1061 g去离子水和196 g胶态二氧化硅。该制剂生产具有较小的氧化铝含量的较小模具，用于较小部件。随后将模具固化和在高温下燃烧。产生的模具用于铸造含铝化钛的制品，例如涡轮机叶片。
胶态二氧化硅控制铝酸钙相与水的反应速率，并且在固化期间提供模具强度。在模具制备期间，该铝酸钙相与水的反应速率控制熔模铸造模具混合物的工作时间。该时间为约30秒-约10分钟。如果熔模铸造模具混合物的工作时间太短，则时间不足以制备具有复杂形状部件的大的模具。如果熔模铸造模具混合物的工作时间太长并且铝酸钙水泥不足够快速地固化，则可发生微尺度水泥和大尺度氧化铝分离，这可导致偏析的模具，其中制剂变化，并且所得模具性质不均匀。
在铝酸钙水泥中的三种相包含单铝酸钙(CaAl2O4)、二铝酸钙(CaAl4O7)和钙铝石(Ca12Al14O33)，并且本发明人进行该选择来实现数个目的。首先，这些相必须溶解或部分溶解，并且形成悬浮液，该悬浮液可在随后的制备熔模铸造模具的浆料中支持所有的聚集体相。第二，在倒出后，这些相必须促进模具的定形或固化。第三，在铸造期间和之后，这些相必须为模具提供强度。第四，这些相必须呈现与在模具中铸造的钛合金最小的反应。第五，模具必须具有与钛合金铸件的合适热膨胀匹配，使得在固化后冷却期间产生的零件上的热应力最小化。
X-射线图像(图7)显示含有来自铝酸钙模具的表面下内含物的铸造铝化钛叶片。这是一个非常大的内含物(5.44 mm)，并且可使用数字增强技术分辨。来自铝酸钙模具的较小的低密度内含物更难以分辨。在本公开的一方面，本发明人使用提高模具的X-射线密度的模具添加物以改进内含物检测能力。
应理解的是，以上描述旨在为说明性而不是限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可彼此组合使用。此外，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行许多修改以使具体的情况或材料适应各种实施方案的教导。虽然本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定各种实施方案的参数，但它们绝不是限制性的，并且仅为示例性的。回顾以上说明，许多其它实施方案对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，应参考所附权利要求以及授予这些权利要求的等价物的全部范围，确定各种实施方案的范围。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应的术语“包含”和“其中”的通俗英语等价物。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对它们的对象强加数字要求。此外，以下权利要求的限制不是以手段加功能形式书写，并且不旨在基于35 U.S.C. §112，第6段解释，除非并且直至这些权利要求限制清楚地使用短语“用于……的手段”，然后陈述功能，而缺乏进一步结构。应理解的是，可能不必根据任何特定的实施方案实现上述所有这些目标或优点。因此，例如，本领域技术人员认识到，本文描述的系统和技术可采用实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来体现或实施，而不必实现本文教导或提出的其它目标或优点。
虽然已结合仅有限数量的实施方案详细描述了本公开，但应容易理解的是，本公开不局限于这些公开的实施方案。而是，可修改本公开，以结合任何数量的前面未描述但是与本发明的精神和范围等同的变体、变化、替代或等价布置。此外，虽然已描述本发明的多种实施方案，但应理解的是，本发明的方面可包括所描述的实施方案中的仅一些。因此，本发明不应看作局限于前述描述，而是仅受所附权利要求的范围所限制。本文提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用而全文结合到本文中，如同具体并且个别地说明每一个单独的出版物或专利，以通过引用而结合。在冲突的情况下，以本申请为准，包括本文中的任何定义。
本书面描述使用实施例来公开本发明，包括最佳方式，并且还能够使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统和实施任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言没有差异的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等价结构要素，则预期这些其它实例在权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种用于铸造含钛制品的模具组合物，所述组合物包含：
包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和
X-射线或中子-射线可检测的元素，
进一步包括硅铝酸盐和硅铝酸钙，其中所述硅铝酸盐和硅铝酸钙的体积分数小于5％。
2.如权利要求1所述的一种模具组合物，其中当该模具组合物形成模具时，所述铝酸钙水泥形成小于100微米的固有的表面涂层。
3.如权利要求2所述的一种模具组合物，其中将所述X-射线或中子-射线可检测的元素在所述模具内混合。
4.如权利要求1所述的一种模具组合物，其中所述模具组合物不具有外来的表面涂层。
5.如权利要求1所述的一种模具组合物，所述组合物还包含氧化物颗粒。
6.如权利要求5所述的一种模具组合物，其中所述氧化物颗粒包含氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒和氧化钛颗粒中的至少之一。
7.如权利要求5所述的一种模具组合物，其中所述氧化物颗粒为氧化铝颗粒。
8.如权利要求1所述的一种模具组合物，其中所述X-射线或中子-射线可检测的元素包含镱、铪、钆、钨、钍、铀、钇、镝、铒、铈和它们的组合物中的一个或多个。
9.如权利要求1所述的一种模具组合物，其中在所述模具组合物中，所述X-射线或中子-射线可检测的元素为1-4重量％。
10.一种用于检测在钛或钛合金铸件中表面下的陶瓷内含物的方法，所述方法包括：
将铝酸钙、硅铝酸盐、硅铝酸钙、至少一种比铝酸钙更加射线照相致密的元素和液体组合，以形成浆料，其中所述硅铝酸盐和硅铝酸钙的体积分数小于5％；
由所述浆料形成具有铝酸钙和射线照相致密元素的模具；
将含铝化钛的金属引入到携带射线照相致密元素的模具中；
固化所述含铝化钛的金属，以在所述模具中形成制品；
从所述模具除去所述固化的含铝化钛的金属制品；
使所述固化的含铝化钛的制品经受射线照相检查，以提供射线照片；和
对所述射线照片检查在所述制品上或制品中所述射线照相致密元素的存在。
11.如权利要求10所述的一种方法，所述方法还包括从所述制品除去所述射线照相致密元素。
12.如权利要求11所述的一种方法，其中从所述制品除去所述射线照相致密元素包括机械加工。
13.如权利要求11所述的一种方法，其中从所述制品除去所述射线照相致密元素包括研磨、抛光或焊接中的一个或多个。
14.如权利要求10所述的一种方法，其中所述组合还包括将氧化物颗粒与所述浆料组合。
15.如权利要求14所述的一种方法，其中所述氧化物颗粒包含氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒和氧化钛颗粒中的至少之一。
16.如权利要求14所述的一种方法，其中所述氧化物颗粒为氧化铝颗粒。
17.如权利要求14所述的一种方法，其中所述元素比所述氧化物颗粒更加射线照相致密。
18.如权利要求14所述的一种方法，其中所述氧化物颗粒包含空心氧化物颗粒。
19.如权利要求18所述的一种方法，其中所述空心氧化物颗粒包含空心氧化铝颗粒。
20.如权利要求10所述的一种方法，其中所述比铝酸钙更加射线照相致密的元素包含镱、铪、钆、钨、钍、铀、钇、镝、铒、铈和它们的组合物中的一个或多个。
21.如权利要求10所述的一种方法，其中所述钛或钛合金铸件包含涡轮机叶片。
22.如权利要求10所述的一种方法，其中所述钛或钛合金铸件包含铝化钛涡轮机叶片。
23.如权利要求10所述的一种方法，所述方法还包括在含铝化钛的铸造制品中使模具材料内含物的存在最小化。
24.一种模具组合物，所述组合物包含：
包含单铝酸钙、二铝酸钙和钙铝石的铝酸钙水泥；和
至少一种比所述铝酸钙水泥更加射线照相致密的元素，
其中Na2O、SiO2、Fe2O3和TiO2的总和小于2％重量。
25.如权利要求24所述的一种模具组合物，其中所述模具组合物还包含氧化物颗粒。
26.如权利要求25所述的一种模具组合物，其中所述射线照相致密元素比所述氧化物颗粒进一步更加射线照相致密。
27.如权利要求25所述的一种模具组合物，其中所述氧化物颗粒包含氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氧化钙颗粒、氧化锆颗粒和氧化钛颗粒中的至少之一。
28.如权利要求25所述的一种模具组合物，其中所述氧化物颗粒包含空心氧化物颗粒。
29.如权利要求28所述的一种模具组合物，其中所述空心氧化物颗粒包含空心氧化铝颗粒。
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